探討反滲透凈水器零陳水的實現方法及控制技術

官闊榮 成吉會 楊浩 張輝

浙江蘇泊爾廚衛電器有限公司 浙江紹興 310052

1 引言

凈水器作為進入家庭后的水再處理設備，可以為用戶提供健康、安全的水源。凈水處理技術日臻成熟，特別是反滲透凈水器類型，從幾年前以50 G規格的小通量膜為主，到當前已經普及400 G及以上規格大通量反滲透凈水器。但是，隨著大通量（400 G規格及以上）反滲透凈水器的普及，“頭杯水”問題也開始浮現，即機器停止運行后，由于正滲透原理，濃水側的離子會緩慢滲透到純水側，使純水的總溶解固體上升[3]。當間隔一段時間啟動系統時，由于機器內部陳留的水質變差，離子濃度偏高，也即總脫鹽率較低，形成通常所說“頭杯水”問題。其后果就是凈水器放置一定時間重新開啟后放出的頭幾杯水是過濾不完全的，各項細菌、重金屬等指標仍存在超標可能，從而達不到凈水器原本該起的作用。本文對目前五種比較可行的方案進行對比分析，以期解決“頭杯水”問題。

2 五種技術方案對比

目前解決“頭杯水”總溶解固體偏高問題的主要有：壓力桶稀釋、指示燈水質提示、純水回流、雙RO膜純水沖洗及純水凈膜等技術方案。

2.1 壓力桶稀釋技術

此技術主要用在小通量反滲透凈水器產品，即在RO膜后端設置一個儲水的壓力桶，機器所生產的純水先儲存在壓力桶內，產生的“頭杯水”也會先流入壓力桶內與純水稀釋，其產品示意圖如圖1所示。一般壓力桶可裝7～8 L純水，因小通量RO膜小，頭杯水也會少（＜800 mL），壓力桶稀釋后脫鹽率就會大于85%，符合飲水要求。但是，此技術方案的最大不足是壓力桶占用空間大，成本較高。

圖1 小通量反滲透凈水器壓力桶稀釋技術產品示意圖

2.2 指示燈水質提示技術

此技術是在純水水龍頭上設置一個水質狀態顯示的指示燈，在機器內部設置一檢測水質探針，產品示意圖如圖2所示。當打開水龍頭取水，若探針檢測到“頭杯水”水質不達標時，龍頭指示燈顯示為紅色，提醒用戶此時放出的水不安全，不建議飲用。繼續放水后，“頭杯水”放完且水質逐漸恢復良好，水龍頭上指示燈會由紅色變為藍色，代表此時水可以飲用。此技術欠缺處在開始打開水龍頭取水時需要放掉一些水，且需要等待一定時間直到指示燈變為藍色才能飲用，這樣一是要等待，二是浪費部分水，用戶體驗變差。

圖2 指示燈水質提示技術產品示意圖

2.3 純水回流技術

圖3 純水回流技術水路流程圖

2.4 雙RO膜純水沖洗技術

此技術是指在增壓泵后端設計兩個RO膜，分別為RO膜一和RO膜二，同時將增壓泵改為可變頻的增壓泵。其原理為每次用水結束后，變頻增壓泵提供單RO膜用水量供RO膜一制純水沖洗RO膜二，讓RO膜二濃水側和純水側離子濃度達到平衡，都接近純水濃度。水路流程如圖4所示。當用水時，變頻增壓泵提供單RO膜的用水量供RO膜二制水，因RO膜二內兩側都為純水，故RO膜二濾芯所制的“頭杯水”總溶解固體值較低；當RO膜一側較高濃度“頭杯水”經RO膜二濾芯二次過濾后，變頻增壓泵提供雙膜用水量供RO膜一和RO膜二同時制水，切換至大出水量狀態，有效解決了“頭杯水”脫鹽率低、總溶解固體高的問題。此方案可將“頭杯水”水質達到脫鹽率85%甚至更高，但是結構空間占用體積大，此技術不足是實現方案較復雜，成本高昂。

圖4 雙RO膜互相沖洗技術水路流程圖

2.5 純水凈膜技術

此技術是在大通量RO膜的濃水側和純水側之間，設計一個氣動壓力桶裝置。每次用水結束純水龍頭關閉后，系統會繼續制水直到把氣動壓力桶充滿。之后系統啟動純水凈膜流程，先將廢水電磁閥打開，氣動壓力桶內的純水就會緩慢流入RO膜濃水側，將濃水擠壓到濃水口排出，水路流程如圖5。這樣RO膜濃水側被氣動壓力桶內的純水填充滿，此時RO膜內的濃水側和純水側離子濃度差很小，根據RO膜離子（鹽離子）滲透率公式：

圖5 純水凈膜技術水路流程圖

式中：Qs-膜的透鹽量；

Ks-膜的鹽滲透系數；

ΔC-膜兩側鹽濃度差；

S-膜面積；

d-膜厚度；

告別了媽媽后，我進了教室，教室里，暖氣和以前一樣開著。我坐了下來，等待著老師來上課。但是我沒有找到課本。我著急地翻著我的書包，恨不得把書包翻爛。這時，我看見一個熟悉的身影。“媽媽！”我叫道。

該方程可簡化為：

Qs=B×(ΔC)

式中：B-膜的鹽透過常數；

ΔC-鹽濃度差（鹽的擴散驅動力）。

從上述公式可以看出，RO膜的離子（鹽離子）滲透率與RO膜的兩側濃度差成正比，RO膜的兩側鹽濃度差越小，離子（鹽離子）滲透率越小，反之越大；當RO膜兩側濃度差無限接近時候，RO膜的離子（鹽離子）滲透率趨近于0。為了進一步確認純水凈膜技術的效果，進行試驗驗證，流程圖如圖6所示。

圖6 純水凈膜水路流程圖

以400 G反滲透凈水器為載體，第一級為前置濾芯（復合濾芯），第二級為RO濾芯，根據純水凈膜技術流程圖，在RO膜兩端連接氣動壓力桶和純水凈膜水路，測試數據如圖7。

圖7 純水凈膜技術與普通RO機總溶解固體對比

測試條件：原水為加標水，總溶解固體為（500±50）mg/L之間，環境溫度25℃，整機為400 G反滲透凈水器，要求待機8小時后穩定脫鹽率＞90%

測試方法：初次開機運行，在供水壓力為（0.24±0.02）MPa下，于達到標稱額定總凈水量的0%、25%、50%、75%和100%點進行加標測試。達到標稱額定總凈水量的0%點進行加標測試前，要求使用試驗用水或市政自來水穩定運行1 h。達到標稱額定總凈水量的25%、50%、75%和100%點進行加標測試時，切換試驗用水打開水龍頭穩定運行15 min后，在不斷電條件下關閉龍頭不取水，8 h后打開凈水龍頭用量杯連續收集5杯凈水，每杯體積200 mL；按GB/T 5750.5的規定測量進水和凈水的含鹽量，并按如下公式計算第N杯水的脫鹽率Rn，且取其中最低的值為Rmin。

式中：Rn-脫鹽率，單位為百分號%；

Cf-進水含鹽量，單位為毫克每升（mg/L）；

Cp-凈水含鹽量，單位為毫克每升（mg/L）。[5]

此時，Rmin取值Min{R1，R2，R3……R10}，即10杯水中脫鹽率最低值。整機額定總凈水量范圍內，可分為5段用a規定的加標水進行b項測試，在達到標稱額定總凈水量的0%（初始）、25%、50%、75%和100%時的任何1段測試后得到的Rmin，均需要符合出水水質持續穩定。

測試結果：全程脫鹽率＞85%；

數據來源：本公司實驗室。

根據試驗數據可以發現，以總溶解固體500 mg/L作為原水，其凈化后總溶解固體均≤45 mg/L，全程脫鹽率＞85%，400 mL后脫鹽率達到機器穩定脫鹽率。這說明純水凈膜后RO膜兩側離子濃度差非常小，RO膜的離子（鹽離子）滲透率非常低。

產品空間要求方面，純水置換技術因只需增加一個微型氣動壓力桶裝置和置換水路，新增部件體積較小，可通過現有產品優化來實現此技術，且成本相對較低，因此可大范圍推廣和應用。

3 結論

通過對上述五種技術方案優劣勢分析，筆者比較推薦純水凈膜技術，此技術實現成本較低、水質穩定，且并不會增加太多體積，是目前可以較好解決問題的方案。

隨凈水技術研究的不斷創新升級，相信未來會有更好技術方案來實現全程零陳水，徹底解決用戶對“頭杯水”問題擔憂。